A fim de compreender mais plenamente as complexidades do interior da Terra, a humanidade tem que cavar fundo - literalmente. A data, os cientistas conseguiram perfurar um pouco mais de 12 quilômetros de profundidade, ou cerca de metade da profundidade média da crosta terrestre.

Por que os pesquisadores precisam perscrutar em profundidades mais profundas? Tanto para entender melhor como a Terra se formou e como o interior pode ter um efeito em nossa vida na superfície da Terra hoje, como pela magnitude e reversões do campo magnético da Terra.

Contudo, experimentos que investigam materiais em condições profundas na Terra são desafiadores, o que significa que, para continuar obtendo insights sobre esses fenômenos, experimentalistas devem recorrer à modelagem e simulação para apoiar e complementar seus esforços.

Para esse fim, pesquisadores do Instituto de Geologia e Mineralogia da Universidade de Colônia recorreram a recursos de computação no Jülich Supercomputing Center (JSC) para ajudar a compreender melhor como os materiais se comportam em condições extremas abaixo da superfície da Terra.

O time, liderado pelo Prof. Dr. Sandro Jahn e Dr. Clemens Prescher da Universidade de Colônia, tem usado o supercomputador JUQUEEN da JSC para simular a estrutura de fundidos estudando vidros de silicato como um sistema modelo para fundidos sob ultra-altas pressões. A equipe publicou recentemente suas descobertas iniciais no Anais da Academia Nacional de Ciências .

"Compreender as propriedades de derretimento de silicato e vidros em ultra-alta pressão é crucial para entender como a Terra se formou em sua infância, onde os impactos de grandes asteróides levaram a uma Terra completamente derretida, "disse Prescher." Na verdade, toda a estrutura interna em camadas que conhecemos hoje foi formada em tais eventos. "

É um copo

Quando a maioria das pessoas pensa na palavra vidro, eles pensam em janelas ou garrafas. Copo, Contudo, é um termo que descreve uma ampla gama de sólidos não cristalinos. Os átomos em um sólido podem se organizar de várias maneiras, e os materiais considerados vidros têm algumas das estruturas atômicas mais "caóticas" possíveis em sólidos.

Um vidro também pode ser visto como um derretimento congelado. Assim, ao compreender as propriedades dos vidros em pressões ultra-altas, pesquisadores podem obter informações sobre as propriedades do derretimento nas profundezas do interior da Terra, fornecendo uma visão mais clara dos processos físicos que fizeram a Terra e podem estar ocorrendo ainda hoje.

Usando uma variedade de medições geofísicas e experimentos de laboratório, os pesquisadores são capazes de obter algum grau de compreensão das propriedades dos materiais sob certas condições de pressão, sem realmente serem capazes de fazer observações diretas.

Entre na supercomputação. À medida que o poder da computação ficou mais forte, pesquisadores geofísicos são capazes de complementar e expandir seus estudos desses processos internos da Terra por meio do uso de modelos numéricos.

No caso dos pesquisadores da Universidade de Colônia, eles queriam obter uma visão mais detalhada da estrutura do vidro de silicato do que seus esforços experimentais foram capazes de fornecer. A equipe utilizou cálculos ab initio das estruturas eletrônicas dos átomos e colocou esses cálculos em movimento usando simulações de dinâmica molecular. Cálculos ab initio significam que os pesquisadores começam sem suposições em seus modelos matemáticos, tornando uma simulação mais cara computacionalmente, mas também mais precisa.

Devido a ter muitos cálculos para a estrutura de cada átomo e cálculos de dinâmica molecular exigentes computacionalmente, a equipe mantém suas simulações em escala relativamente pequena - as maiores corridas da equipe normalmente têm entre 200-250 átomos na simulação. Este tamanho permite que a equipe execute simulações sob uma variedade de combinações diferentes de pressão e temperatura, em última análise, permitindo-lhe calcular uma amostra pequena, mas representativa, de interações materiais sob uma variedade de condições.

Para testar seu modelo e estabelecer a base para a modelagem de interações de materiais cada vez mais complexas, a equipe decidiu simular o dióxido de silício (SiO2), um comum, material bem estudado, mais conhecido como o composto que forma o quartzo.

Entre os materiais de silicato, O SiO2 é um bom candidato para basear modelos computacionais - os pesquisadores já entendem como seus padrões de estrutura atômica e propriedades de materiais mudam sob uma variedade de condições de pressão.

A equipe optou por se concentrar em uma forma relativamente simples, material bastante conhecido para ampliar a faixa de pressão que poderia simular e tentar validar o modelo com dados experimentais. Usando JUQUEEN, a equipe foi capaz de estender sua investigação muito além dos 172 Gigapascals alcançados experimentalmente, correspondendo a 1,72 milhão de vezes a pressão atmosférica da Terra, ou aproximadamente a quantidade de pressão que a Torre Eiffel aplicaria pressionando a ponta do dedo de uma pessoa.

Os pesquisadores também descobriram que em altas pressões, os átomos de oxigênio são muito mais compressíveis do que os átomos de silício. A relação de tamanho variável entre os dois leva a estruturas de vidro extremamente diferentes de SiO2 em baixas e altas pressões.

Cavando Mais Profundamente

Ao validar seu modelo, a equipe se sente confiante de que pode avançar para materiais e interações mais complexos. Especificamente, a equipe espera expandir suas investigações mais profundamente no domínio dos derretimentos. Pense na lava como um derretimento - rocha derretida irrompe abaixo da superfície da terra, esfria rapidamente quando atinge a superfície, e pode formar obsidiana, uma pedra vítrea.

A fim de fazer simulações mais avançadas de derretimentos, a equipe gostaria de ser capaz de expandir suas simulações para levar em conta uma gama mais ampla de processos químicos, bem como expandir o número de átomos em uma execução típica.

Como o JSC e as outras duas instalações do Gauss Center for Supercomputing (GCS) - o High-Performance Computing Center Stuttgart e o Leibniz Supercomputing Center em Garching - instalam supercomputadores de próxima geração, a equipe está confiante de que será capaz de obter uma visão ainda maior da ampla gama de complexas interações de materiais que acontecem muitos quilômetros abaixo da superfície.

"Uma máquina mais rápida nos permitirá simular derretimentos e vidros mais complexos, que é crucial para ir de sistemas de modelo, como o vidro de SiO2 neste estudo, às composições do mundo real que esperamos no interior da Terra, "Disse Prescher.

Prescher também observou que a equipe de suporte JSC ajudou a equipe a trabalhar com mais eficiência, auxiliando na implementação do código da equipe.

Este tipo de suporte representa os planos da GCS para o futuro. Com a promessa e a oportunidade conectadas às arquiteturas de computação de próxima geração, A liderança do centro de GCS percebe que a colaboração mais próxima com os usuários e o co-design do aplicativo será um componente-chave para garantir que os pesquisadores possam resolver com eficiência maiores, problemas científicos mais complexos.

Seja estudando nas profundezas do espaço entre as estrelas ou bem abaixo da superfície da Terra, a colaboração entre centros de supercomputação e pesquisadores desempenhará um papel cada vez mais importante na solução dos desafios científicos mais difíceis do mundo.